取兩個(gè)癌細(xì)胞并對(duì)其基因組進(jìn)行比較，令人驚訝的是，其基因組會(huì)完全不同，這種基因突變是癌癥的一個(gè)主要標(biāo)志，同時(shí)也是癌癥難以治療的原因之一。如果腫瘤是由攜帶許多不同基因組的細(xì)胞所組成，那么單一的藥物或許無(wú)法奏效，但了解細(xì)胞的遺傳突變或許就能幫助臨床研究人員開(kāi)發(fā)新型靶向性療法。

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日前一項(xiàng)發(fā)表在PNAS雜志上的研究報(bào)告中，研究人員在一種塑料設(shè)備上捕獲了單一的癌細(xì)胞，提取其DNA并且繪制出了其序列圖譜，研究者利用光學(xué)標(biāo)測(cè)(optical m app ing)技術(shù)提供了癌細(xì)胞基因組的大規(guī)模信息，這種技術(shù)的工作原理就好像一張世界地圖，上面有森林、湖畔和山脈，但沒(méi)有像道路、房屋和小城市這樣的細(xì)節(jié)信息。

通過(guò)比較單一細(xì)胞的光學(xué)圖譜和普通人類(lèi)細(xì)胞的參考圖譜，研究人員就能夠確定其之間的差異，這些信息就能夠揭示腫瘤內(nèi)部的基因組異質(zhì)性，甚至能夠闡明細(xì)胞是如何進(jìn)展成為腫瘤的。對(duì)單一細(xì)胞中的DNA進(jìn)行光學(xué)圖譜繪制需要四個(gè)步驟，1）首先捕獲細(xì)胞并從中提取長(zhǎng)鏈DNA；2）利用熒光染料對(duì)DNA片段進(jìn)行染色；3）加熱DNA分子，依據(jù)DNA序列的不同，染料會(huì)在某些地方比其它地方的附著性更好一些，這就會(huì)在DNA分子上留下條碼樣的圖譜；4）最后在顯微鏡下對(duì)分子進(jìn)行拉伸和成像，并且讀取“條形碼”。

研究者開(kāi)發(fā)了一種低成本的塑料裝置，其能整合上述四個(gè)步驟，步驟如下圖?！皸l形碼”的工作原理就好像一個(gè)指紋一樣，其能識(shí)別與DNA分子密切相關(guān)的基因組部分，甚至能夠揭示成像的DNA分子和參考基因組之間的差異。

測(cè)序vs光學(xué)標(biāo)測(cè)

那么為什么要使用光學(xué)圖譜而不是常規(guī)的DNA測(cè)序技術(shù)呢？傳統(tǒng)的DNA測(cè)序方法具有對(duì)單一堿基對(duì)的分辨率，也就意味著其能夠識(shí)別出DNA分子中的每個(gè)堿基對(duì)，因此如果有足夠材料的話，研究者就能在幾天內(nèi)對(duì)人類(lèi)細(xì)胞中大約60億個(gè)堿基對(duì)進(jìn)行全基因組測(cè)序，但要對(duì)人類(lèi)基因組的單一拷貝進(jìn)行測(cè)序卻是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這也是研究人員需要從單一細(xì)胞的研究中開(kāi)始的。

研究人員需要面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)的DNA測(cè)序方法需要多個(gè)基因組拷貝，由于每個(gè)細(xì)胞中只有一個(gè)基因組拷貝，因此第一步就是將細(xì)胞中的基因組復(fù)制多次，這就是所謂的DNA擴(kuò)增，但是復(fù)制過(guò)程中就會(huì)偶爾發(fā)生錯(cuò)誤，從而使得結(jié)果模糊不清。另外一項(xiàng)挑戰(zhàn)就是DNA分子的每一個(gè)副本都會(huì)被隨機(jī)切割成更小的片段，即只有幾百個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)的片段，然后對(duì)這些片段進(jìn)行測(cè)序，隨后研究者再對(duì)序列進(jìn)行組裝使其成為一個(gè)完整的基因組。

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目前研究者很難檢測(cè)到基因組結(jié)構(gòu)上的變化，比如重復(fù)模式、基因片段的插入或缺失，正是這種結(jié)構(gòu)信息可能會(huì)對(duì)于后期研究者開(kāi)發(fā)癌癥療法有效。至少?gòu)睦碚撋蟻?lái)講，有一種更為有效的方法來(lái)讀取DNA序列，光學(xué)標(biāo)測(cè)(optical m app ing)技術(shù)就能夠勝任這項(xiàng)工作，其能夠?yàn)殚L(zhǎng)達(dá)100萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)的DNA分子序列提供一個(gè)粗略的“指紋”，這比DNA測(cè)序的短讀取長(zhǎng)度要唱的多，而且還避免了DNA測(cè)序所需要的擴(kuò)增步驟。

這種長(zhǎng)片段就能使得檢測(cè)結(jié)構(gòu)變化成為可能，這些結(jié)構(gòu)變化從幾千堿基對(duì)到幾百個(gè)堿基對(duì)不等，通過(guò)DNA測(cè)序就能夠檢測(cè)到較小的改變。因此，測(cè)序和圖譜繪制的方式是互補(bǔ)的，從原則上來(lái)講，DNA分子能被進(jìn)行光學(xué)圖譜繪制和測(cè)序；

在單細(xì)胞水平上對(duì)基因組進(jìn)行測(cè)序或能幫助研究人員開(kāi)發(fā)出有效且個(gè)性化的癌癥療法，但正如研究者在上面提到的那樣，使用目前的測(cè)序技術(shù)對(duì)單一細(xì)胞的DNA進(jìn)行測(cè)序需要更高的要求。研究人員也首次證實(shí)了光學(xué)標(biāo)測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)單一細(xì)胞DNA分子中大規(guī)模的遺傳變異，而且不需要DNA測(cè)序方法所要求的擴(kuò)增步驟。

樣品的制備是在一個(gè)單用途的實(shí)驗(yàn)用芯片設(shè)備上完成的，研究者能從單一細(xì)胞開(kāi)始完成所有有用的基因組數(shù)據(jù)，這種設(shè)備減少了昂貴化學(xué)品的使用，同時(shí)也將污染風(fēng)險(xiǎn)降到了最低。目前這項(xiàng)研究工作尚處于研究階段，目前研究者所面臨的挑戰(zhàn)就是增加通量，這樣他們就能一次性對(duì)更多DNA分子進(jìn)行分析，從而繪制出單個(gè)細(xì)胞的所有DNA圖譜。

參考資料：

【1】Are all cancer cells the same?

【2】Rodolphe Marie et al. Single-molecule DNA-m app ing and whole-genome sequencing of individual cells, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1804194115

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